基于單片機控制的程控有源濾波器電路

　　1 引言

　　有源濾波器廣泛應用于數(shù)字信號處理、通信、自動控制領域,但設計可變寬頻帶有源濾波器則比較困難。利用單片機控制參數(shù)可編程的雙二階通用開關電容有源濾波器,精確設置有源濾波器的中心頻率fO,品質因數(shù)Q及有源濾波器的工作方式。

　　2 開關電容有源濾波器工作原理

　　開關電容有源濾波器的基本原理是在電路兩節(jié)點之間接具有高速開關的電容器，等效于兩節(jié)點之間連接一只電阻。圖1(a)是一個有源RC積分器，圖1(b)是采用一只接地電容C1和CMOS開關T1、T2替代輸入電阻R1。圖1(c)是不重疊的兩相時鐘脈沖，用于驅動T1、T2。時鐘頻率fCLK高于信號頻率。當φ1為高電平時，T1導通(視短路)而T2截止(視開路)，此時C1與輸入信號VI相連并充電(如圖1(d)所示)，即有電荷qcl=C1V1。當φ2為高電平時，T1截止而T2導通，此時C1與輸入信號VI斷開而接至運算放大器的輸入端，C1放電，充電電荷qc1傳輸至C2。每一時鐘周期Tc內，從信號源提取的電荷qcl=C1VI提供至積分電容器C2。因此，在節(jié)點1、2之間流過的平均電流為iav=C1VI/TC。若TC足夠短，可近似認為這一過程是連續(xù)的,因而可在兩節(jié)點間定義一只等效電阻Req,即Req=VI/iav和Req=Tc/C1。這樣可得到等效積分器時間常數(shù)τ，即τ=C2Req=TCC2／C1。顯然，濾波器頻率響應的時間常數(shù)τ取決時鐘周期TC和電容比值C2／C1，而與電容的絕對值無關,集成電路工藝制作小容量電容易于實現(xiàn)。當電容比值恒定時，改變時鐘頻率，就可改變?yōu)V波器的截止頻率,即開關電容濾波器的基本工作原理。

　　3 MAX262簡介

　　MAX262是美國Maxim公司生產的雙二階通用開關電容有源濾波器，其引腳功能及內部框圖如圖2所示。MAX262內部集成有2個結構相同的二階通用開關電容有源濾波器及1個獨立的運算放大器OP。這兩個有源濾波器既可獨立使用，也可串聯(lián)使用。對濾波器的工作方式，中心頻率fO，品質可通過D0D1,A0~A3端口線在WR上升沿寫入所選中的內部單元來設置濾波器的工作方式、中心頻率fO以及品質因數(shù)Q等參數(shù)。詳見表1所列。其中，中心頻率fO的范圍為1 Hz～140 kHz。fCLKA和FCLKB為內部開關電容網(wǎng)絡所需的外部時鐘，一般為中心頻率fO的幾十至上百倍。

　　表1中MOM1為工作方式，僅在地址為A3A2A1A0=0000(或1000)時才能寫入。F0~F5為fO控制字，Q0~Q6為品質因數(shù)Q的控制字。D0D1=00時為工作方式1，實現(xiàn)LP(低通)、BP(帶通)、N(陷波)功能：DOD1=01時為工作方式2，實現(xiàn)區(qū)別于工作方式1的LP(低通)、BP(帶通)、N(陷波)功能；D0D1=10時為工作方式3，實現(xiàn)LP、BP、HP(高通)功能；D0D1=10時,若使用獨立運放OP為工作方式3A，實現(xiàn)有別于工作方式3的LP、BP、HP功能。D0D1=11時為工作方式4，實現(xiàn)LP、BP、AP(全通)功能。MAX262有INA、INB兩個信號輸入端，允許最大輸入電壓振幅為±4．7 V。

　　4 程控有源濾波器硬件電路設計

　　程控有源濾波器硬件電路框圖如圖3所示。利用89C51控制鍵盤顯示器8279、可編程計數(shù)器8254、可編程有源濾波器MAX262。其中8254是3通道16位可編程計數(shù)器，計數(shù)時鐘頻率可達10 MHz，可向MAX262提供精確的時鐘頻率fCLKA和fCLKB。

　　本系統(tǒng)設計要求濾波器可設置為低通，其-3 dB截止頻率fc在1 kHz~20 kHz調節(jié)頻率的步進值為1 kHz內要求在2fc處濾波器幅頻特性下降不小于10 dB；同時濾波器可設置為高通濾波器，其fc范圍及步進值與低通模式相同，其要求0．5fc處濾波器幅頻特性下降不小于10 dB。將濾波器A設置為工作方式1,濾波器B設置為工作方式3。二階有源低通濾波器的傳遞函數(shù)為：GL(s)=HOLP[(ω0／(s2+2ω0/Q+ω0)]，(HOLP為直流增益)。令｜GL(s)｜為0．707HOLP處的頻率為fc,則

　　經(jīng)計算當Q=0．7時,fc=f0,2fc處幅頻增益為-12 dB(實測小于-12 dB)，滿足要求。對于高通濾波器當q=0．7時，同樣要求增益在fc=f0處下降3 dB，而在0．5fc處幅頻增益為-12 dB。根據(jù)參考文獻提供的數(shù)據(jù)，fCLKA/f0(或fCLKB/f0)的比值必須高于40．84。濾波器工作在方式1或方式3時，fCLK/f0=[π(26+N1)]/2，N1為F0~F5的值，取N1=10，則fCLK/fO=56．55。Q=64／(128-N2)，因為Q=0．7，所以N2=Q0～Q5=37。當fO=1 kHz時,fCLKB=56．55 kHz。

　　5 程控方式的實現(xiàn)

　　由MAX262工作原理可知，當工作方式、F0～F5、Q0～Q5值寫入MAX262后，若要對濾波器的工作頻率fO實現(xiàn)步進值為1 kHz的程控，只要使fCLKA/fO(或fCLKB/fO)的比值為56．55即可。本電路設計采用8254可編程計數(shù)器產生fCLKA和fCLKB。8254是3通道16位可編程計數(shù)器，最高計數(shù)脈沖頻率fCLK為10MHz，當被設置為工作方式3時為方波發(fā)生器輸出,通道0的輸出作為fCLKA，通道1的輸出作為fCLKB。由于8254是16位可編程計數(shù)器，經(jīng)其分頻后輸出方波的頻率fCLKA和fCLKB對fO的比值接近56．55，若fCLKA、fCLKB為固定值，用F0～F5的設置時,fCLKA/fO或fCLKB/fO僅有64種選擇，顯然精度較低。當通過鍵盤輸入fO值后，單片機計算出相應的分頻系數(shù)MA、MB寫入8254。若步進值為固定值，則將對應fO的MA、MB以表格形式進行存儲，直接查表即可。

　　6 結束語

　　基于單片機控制的可編程有源濾波器可實現(xiàn)低通、高通、帶通、陷波、全通濾波器。在程序控制下可精確地改變?yōu)V波器的帶寬、中心頻率及品質因數(shù)Q，經(jīng)實際測試效果良好。當MAX262作為低通濾波器使用時，為了抑制開關頻率fCLKA產生的噪聲，可在濾波器的輸出端串聯(lián)一個截止頻率小于最低fCLKA的連續(xù)時間的低通濾波器,其效果更好。